回火對不同Cr、Al和Mn含量超級貝氏體鋼組織和性能的影響

張 月，李青春，常國威

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回火對不同Cr、Al和Mn含量超級貝氏體鋼組織和性能的影響

張 月，李青春，常國威

（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

利用金相和掃描電鏡等實驗方法，研究了回火對不同Cr、Al和Mn含量超級貝氏體鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明：在回火處理試驗溫度范圍內(nèi)，隨回火溫度的提高，試樣的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。Cr的添加使超細貝氏體鋼的回火穩(wěn)定性提高。在相同的回火處理實驗溫度下1%Cr鋼的磨損量總體上多于0%Cr鋼，說明Cr的添加使磨損量增加，耐磨性能降低。Mn和Al含量的增加，貝氏體鋼回火穩(wěn)定性沒有發(fā)生變化，但貝氏體鋼在更高溫度保持耐磨性能的穩(wěn)定。

貝氏體；回火穩(wěn)定性；組織；力學(xué)性能

貝氏體鋼因具有較高的強度和良好的韌性等優(yōu)點[1]一直受到鋼鐵材料界的關(guān)注。具有代表性的有Mn-B系貝氏體鋼[2]和Si-Mn-Mo系貝氏體鋼[3]，目前已在工程機械、造船等行業(yè)得到應(yīng)用[4]。近年來，劍橋大學(xué)Bhadeshi教授等[5]研發(fā)了一種強度達2 500 MPa的貝氏體鋼，其同時具有極高的強度和良好的韌性，被稱為超級貝氏體鋼（Super bainitie steels）。超級貝氏體組織因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能而得到廣泛研究[6]，這種新型鋼種的組織特征是其組成相主要由貝氏體鐵素體（BF）和殘余奧氏體（AR）兩相組成[7]。已有研究表明，通過加入一定量的Si可抑制貝氏體相變時滲碳體析出[8-9]，而獲得這種組織。這種組織的發(fā)現(xiàn)使納米技術(shù)在大尺寸鋼鐵領(lǐng)域得到了應(yīng)用[10]。回火處理是提高貝氏體鋼綜合力學(xué)性能的重要手段。本文主要研究了3種成分不同的試驗鋼，通過等溫淬火獲得超級貝氏體組織后再進行回火，研究回火對不同Cr、Al和Mn含量超級貝氏體鋼組織和性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗設(shè)置了3組對照試驗，其化學(xué)成分如表1所示。將3組試樣隨爐加熱到950 ℃保溫20 min奧氏體化處理后，迅速放入270 ℃的鹽浴爐內(nèi)保溫2 h后空冷。然后將得到的試樣分別在400、450、500、550、600 ℃和650 ℃的溫度下進行回火，回火時間為1 h。利用Axiovert 200 MAT蔡司顯微鏡和S-3000N掃描電子顯微鏡進行組織觀察，采用HR-1500DT型洛氏硬度計和MRH-01A型環(huán)塊摩擦試驗機分別測量試樣的洛氏硬度值和耐磨性能。

表1 實驗鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分數(shù)%）

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 回火對超級貝氏體鋼組織的影響

試驗鋼回火前的金相組織如圖1所示。從圖中可以看出，實驗鋼經(jīng)270 ℃鹽浴保溫處理后的組織為復(fù)相組織，其中黑色針狀組織為貝氏體，白色組織為未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體和少量的馬氏體組織。從顯微組織可以看出，實驗鋼在270 ℃下得到的貝氏體片層寬度基本都小于200 μm，即為超細結(jié)構(gòu)貝氏體組織。而得到的殘余奧氏體為薄膜狀和小的塊狀。

(a) 1號鋼

(b) 2號鋼

(c) 3號鋼

從圖1(a)和(b)可以看出，2號鋼中的超級貝氏體量明顯少于1號鋼中的，說明加入Cr元素的2號鋼中生成的超細貝氏體量明顯比不加Cr元素的量少，表明Cr的加入阻礙奧氏體向超細貝氏體的轉(zhuǎn)變。從圖1(a)和(c)可以看出，與3號鋼相比，1號鋼中形成貝氏體的量少，白色未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體的量多，說明Mn和Al含量的增加抑制了等溫超細貝氏體的形成。

圖2為試驗鋼在500 ℃保溫1 h回火后的組織掃描電鏡（SEM）照片。可以看出，經(jīng)回火處理后組織形貌變化很小，基本仍為束狀形態(tài)（貝氏體鐵素體板條），有細小的碳化物彌散析出，白色塊狀殘余奧氏體開始分解。2號鋼中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量和碳化物析出量很少，與1號鋼相比兩者的形態(tài)變化并無明顯的差別（圖2(a)和2(b)），說明Cr元素的加入對于殘余奧氏體分解生成碳化物的影響不明顯。對于不含Cr的1號鋼和3號鋼，殘余奧氏體在貝氏體鐵素體板條上均析出細小的碳化物，此時析出量很少，貝氏體束的形態(tài)仍然顯現(xiàn)，殘余奧氏體開始分解（圖2(b)和2(c)）。

(a) 1號鋼

(b) 2號鋼

(c) 3號鋼

圖3為1號鋼分別在500、550、600 ℃和650 ℃保溫1 h回火處理后的金相組織。可以看出，不加Cr的1號鋼在500 ℃回火時，組織形貌仍為貝氏體鐵素體板條，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量和碳化物析出量很少。在550 ℃回火時，碳化物開始聚集球化長大，但分布不夠均勻。隨著回火溫度的增加，殘留奧氏體分解的更加顯著，貝氏體束或者馬氏體束特征不明顯，界面更加模糊，貝氏體鐵素體組織進一步粗化，碳化物析出量逐漸增多，聚集球化均勻長大。

圖3 1號鋼鋼不同回火溫度處理后的金相組織

（a）500 ℃（b）550 ℃（c）600 ℃（d）650 ℃

2.2 回火對超級貝氏體鋼力學(xué)性能的影響

圖4為不同溫度回火處理后試樣硬度與回火溫度的關(guān)系曲線。可以看出，隨著回火溫度的升高，三種鋼都呈現(xiàn)硬化—軟化的變化規(guī)律。在回火初期鋼的硬度都有所增加，這是由于析出的非常細小的碳化物可以發(fā)生二次硬化的效果。隨著回火溫度的增加，硬度持續(xù)下降。1號鋼和2號鋼回火處理后硬度值與回火處理前試樣的硬度相比，含1%Cr的2號鋼經(jīng)400、450 ℃和500 ℃回火處理后硬度值增加，回火溫度為500 ℃時，硬度值開始下降。而含0%Cr的1號鋼，400 ℃和450 ℃回火處理后硬度值增加，回火溫度為450 ℃時，硬度值開始下降。說明含Cr鋼的回火穩(wěn)定性高于不含Cr鋼，即Cr的添加使超細貝氏體鋼的回火穩(wěn)定性提高。

比較1號鋼和3號鋼可以看出，這兩種鋼與回火處理前試樣的硬度相比，含1%Mn和1%Al的1號鋼和含0.45%Mn和0.78%Al的3號鋼經(jīng)400 ℃、450 ℃回火處理后硬度值增加，在450 ℃時達到硬度最大值分別為56 HRC和57.9 HRC，回火溫度為450 ℃時，硬度值均開始下降。表明Mn和Al含量的增加，鋼在相同回火溫度保持高硬度，回火穩(wěn)定性沒有發(fā)生變化?；鼗饻囟壤^續(xù)增加，實驗鋼的硬度逐漸下降。

圖4 貝氏體鋼的硬度與回火溫度的關(guān)系曲線

圖5 為不同溫度回火處理后貝氏體鋼的磨損量與回火溫度的關(guān)系曲線。可以看出，三種鋼的磨損量與回火溫度的關(guān)系曲線變化趨勢總體上都是呈現(xiàn)降低—增加—降低的趨勢，這是因為在回火初期實驗鋼由于析出非常細小的碳化物發(fā)生二次硬化，硬度增加，磨損量降低，后隨著回火溫度的增加，硬度下降，所以磨損量增加并達到一個最大值，耐磨性能最差，當(dāng)回火溫度達到600 ℃和650 ℃時磨損量又降低的原因是碳化物析出，聚集長大到一定尺寸，且均勻分布，使耐磨性能提高。

比較1號鋼和2號鋼回火處理后的磨損量發(fā)現(xiàn)，與回火處理前試樣的磨損量相比，含0%Cr的1號鋼和含1%Cr的2號鋼經(jīng)400、450 ℃和500 ℃回火處理后均因試樣硬度增加，磨損量降低，耐磨性能提高，兩種鋼在500 ℃回火磨損量都達到了最低值，23.4 mg和11.1 mg，耐磨性能最好。在500℃~650 ℃回火處理磨損量先增加后降低。0%Cr鋼在回火溫度為600 ℃時，磨損量最大為45.2 mg，1%Cr鋼在回火溫度為550 ℃時，磨損量最大為85.4 mg，耐磨性能最差。由圖可以看出多數(shù)情況下1%Cr鋼的磨損量多于0%Cr鋼，說明Cr的添加使磨損量增加，耐磨性能降低。

比較1號鋼和3號鋼的磨損量發(fā)現(xiàn)，與回火處理前試樣的磨損量相比，兩種鋼經(jīng)400、450 ℃和500 ℃回火處理后試樣因硬度高磨損量降低，耐磨性能提高。3號鋼在回火溫度為550 ℃時，磨損量最大，達到52.7 mg，耐磨性能最低，而1號鋼在回火溫度為600 ℃時，磨損量最大，耐磨性能最低?？梢?，從耐磨性能看，Mn和Al含量的增加，使鋼在更高溫度保持耐磨性能的穩(wěn)定。

圖5 貝氏體鋼的磨損量與回火溫度的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）試驗鋼回火前為貝氏體、殘余奧氏體和少量馬氏體的復(fù)相組織?；鼗鸷笕詾槭鵂钚螒B(tài)（貝氏體束和馬氏體束）,有細小碳化物析出，隨著回火溫度的升高，殘余奧氏體分解量越來越多，碳化物逐漸聚集長大和球化，組織界面逐漸模糊。

（2）3種貝氏體鋼在回火處理試驗溫度范圍內(nèi)，試樣的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。含1%Cr的 2號鋼回火溫度為500 ℃時，硬度值開始下降。含0%Cr的1號鋼回火溫度為450 ℃時，硬度值開始下降。說明Cr的添加使超細貝氏體鋼的回火穩(wěn)定性提高。含1%Mn和1%Al的1號鋼和含0.45%Mn和0.78%Al的3號鋼經(jīng)400 ℃、450 ℃回火處理后硬度值增加，在450 ℃時達到硬度最大值后，硬度值均開始下降。表明Mn和Al含量的增加，鋼在相同回火溫度保持高硬度，回火穩(wěn)定性沒有發(fā)生變化。

（3）在相同的回火處理實驗溫度下含1%Cr的2號鋼的磨損量總體上多于含0%Cr的1號鋼，說明Cr的添加使磨損量增加，耐磨性能降低。含0.45%Mn-0.78%Al的3號鋼在回火溫度為550℃時，磨損量最大，耐磨性能最低，含1%Mn-1%Al的1號鋼在回火溫度為600 ℃時，磨損量最大，耐磨性能最低，可見，Mn和Al含量的增加，使鋼在更高溫度保持耐磨性能的穩(wěn)定。

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責(zé)任編校：劉亞兵

Effect of Tempering on the Microstructure and Properties of Super Bainitic Steel in Different Contents of Cr, Al and Mn

ZHANG Yue, LI Qing-chun, CHANG Guo-wei

（School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The effect of tempering on the microstructure and mechanical properties of super bainitic steel in different contents of Cr, Al and Mn were investigated by optical microscopy (OM) and scanning electron (SEM). The results show that hardness of specimen increases first and then decreases when super banitic steel is treated at different tempering temperature. Adding Cr element can improve the tempering stability of super bainitic steel. The wear loss of 1% Cr bainitic steel is more than that of 0% Cr bainitic steel integrally at the same tempering temperature. It illustrates that adding Cr increases wear loss and decreases wear resistance. The tempering stability of bainitic steel has no change with the increase of Mn and Al content, but the stability of wear resistance can be maintained at higher temperature.

bainite; tempering stability; microstructure; mechanical property

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.013

TG142.2

A

1674-3261(2017)04-0268-04

2017-02-17

遼寧省教育廳重點實驗室項目（LZ2015046）

張 月(1991-)，女，遼寧綏中人，碩士生。李青春(1972-)，女，遼寧錦州人，教授，博士。